第三节肾小管与集合管的转运功能 人两肾每天生成的肾小球滤过液达18叽L,而终尿仅为1.5L。这表明滤过液中约9%的水被肾小管和集合管 重吸收,只有约1%被排出体外。不仅如此,滤过液中的葡萄糖已全部被肾小管重吸收回血;钠、尿素告示 不同程度地重吸收:肌酐、尿酸和K等还被肾小管分泌入管腔中。 、肾小管与集合管的转运方式 肾小管和集合管的转运包括重吸收和分泌。重吸收是指物质从肾小管液中转运至血液中,而分泌是指上皮 细胞本身产生的物质或血液中的物质转运至肾小管腔内。肾不球滤过液进入肾小管后称为小管液 物质通过细胞的转运包括被动转运和主动转运。被动转运是指溶质顺电化学梯度通过肾小管上皮细胞的过 程。水的渗透夺之差是水的转运动力。水从渗透压低一侧通过细胞膜进入渗透压高一侧 主动转运是指溶质逆电化学梯度通过肾小管上皮细胞的过程。主动转运需要消耗能量,根据主动转运过程 中能量来源的不同,分为原发性主动转运和继发性主动转运。原发性主动转运(简称为主动转运)所需要 消耗的能量由ATP水解直接提供。例如Na'和K'的主动转运是靠细胞膜上的Na泵水解ATP直接提供能量的。 继发性主动转运所需的能量不是直接来自Na'泵。而是来自其他溶质顺电化学梯度转运时释放的。例如一些 物质的继发性主动转运的动力直接来自Na顺电化学梯度转运时释放的能量。释放的之些能量归根到底也是 来自Na泵。由于上皮细胞基侧膜上存在Na,将细胞内的Na泵至细胞外,造成细胞内的Na浓度明显低于 细胞外,细胞外K被泵回细胞内,造成细胞内K浓度明显高于细胞外,并维持细胞内的负电位。这样,小 管液中的Na'便顺电化学梯度通过管腔膜进入细胞,并释放能量提供其他物质的转运。许多物质的转运都与 Na'的主动转运相耦联,例如小管液中的葡萄糖、氨基酸、有机酸和CI等物质的重吸收都与Na'同向转运 ( cotransport)有关。同向转运是指两种物质与细胞膜上的同向转运体( cotransporter, symporter)特 殊蛋白质结合,以相同方向通过细胞膜的转运:又如肾小管细胞分泌H是与Na'的逆向转运相耦联。逆向转 运( antiport)是指两种物质与细胞膜上的逆向转运体( antiport)又称交换体( exchanger)结合,以相 反方向通过细胞膜的转运。可见,Na的主动转运在肾小管上皮细胞的转运中起着关键作用(图8-9)。 个带下电荷和另一个带负电荷的两种物质的同向转动,或电荷相同的两种物质的逆向转运都不会造成小管 内外电位改变,这种转运称为电中性转动。如果一个物质是离子,另一个是电中性物质,这种转运就会使 小管内外出现电位差,称为生电性转运。如在近球小管,Na与葡萄糖的同向转运,因葡萄糖是电中性物质, Naˆ和葡萄糖被重吸收就会造成小管内较小管外带负电位。又如在近球小管的后半段,小管液CI浓度比管外 高,CI顺浓度差被动重吸收造成管内带正电位
第三节 肾小管与集合管的转运功能 人两肾每天生成的肾小球滤过液达 180L，而终尿仅为 1.5L。这表明滤过液中约 99%的水被肾小管和集合管 重吸收，只有约 1%被排出体外。不仅如此，滤过液中的葡萄糖已全部被肾小管重吸收回血；钠、尿素告示 不同程度地重吸收；肌酐、尿酸和 K +等还被肾小管分泌入管腔中。 一、肾小管与集合管的转运方式 肾小管和集合管的转运包括重吸收和分泌。重吸收是指物质从肾小管液中转运至血液中，而分泌是指上皮 细胞本身产生的物质或血液中的物质转运至肾小管腔内。肾不球滤过液进入肾小管后称为小管液。 物质通过细胞的转运包括被动转运和主动转运。被动转运是指溶质顺电化学梯度通过肾小管上皮细胞的过 程。水的渗透夺之差是水的转运动力。水从渗透压低一侧通过细胞膜进入渗透压高一侧。 主动转运是指溶质逆电化学梯度通过肾小管上皮细胞的过程。主动转运需要消耗能量，根据主动转运过程 中能量来源的不同，分为原发性主动转运和继发性主动转运。原发性主动转运（简称为主动转运）所需要 消耗的能量由 ATP 水解直接提供。例如 Na+和 K +的主动转运是靠细胞膜上的 Na+泵水解 ATP 直接提供能量的。 继发性主动转运所需的能量不是直接来自 Na+泵。而是来自其他溶质顺电化学梯度转运时释放的。例如一些 物质的继发性主动转运的动力直接来自 Na+顺电化学梯度转运时释放的能量。释放的之些能量归根到底也是 来自 Na+泵。由于上皮细胞基侧膜上存在 Na+，将细胞内的 Na+泵至细胞外，造成细胞内的 Na+浓度明显低于 细胞外，细胞外 K +被泵回细胞内，造成细胞内 K +浓度明显高于细胞外，并维持细胞内的负电位。这样，小 管液中的 Na+便顺电化学梯度通过管腔膜进入细胞，并释放能量提供其他物质的转运。许多物质的转运都与 Na+的主动转运相耦联，例如小管液中的葡萄糖、氨基酸、有机酸和 CI-等物质的重吸收都与 Na+同向转运 （cotransport）有关。同向转运是指两种物质与细胞膜上的同向转运体（cotransporter,symporter）特 殊蛋白质结合，以相同方向通过细胞膜的转运；又如肾小管细胞分泌 H +是与 Na+的逆向转运相耦联。逆向转 运（antiport）是指两种物质与细胞膜上的逆向转运体（antiport）又称交换体（exchanger）结合，以相 反方向通过细胞膜的转运。可见，Na+的主动转运在肾小管上皮细胞的转运中起着关键作用（图 8-9）。一 个带下电荷和另一个带负电荷的两种物质的同向转动，或电荷相同的两种物质的逆向转运都不会造成小管 内外电位改变，这种转运称为电中性转动。如果一个物质是离子，另一个是电中性物质，这种转运就会使 小管内外出现电位差，称为生电性转运。如在近球小管，Na+与葡萄糖的同向转运，因葡萄糖是电中性物质， Na+和葡萄糖被重吸收就会造成小管内较小管外带负电位。又如在近球小管的后半段，小管液 CI-浓度比管外 高，CI-顺浓度差被动重吸收造成管内带正电位
细胞 H+)二N逆询转运)2 Hcv Na+(协同转运,下 仳的恕 - 基酸 其它质 磷酸盐 乳酸盐等 -70rri Y 图8-9Na'转运与其他溶质转运之间的伴联关系 二、各段肾小管和集合管的转运功能 )近球小管 肾小球滤过流经近球小管后,滤过液中67%‰a'、CI、K和水被重吸收,85%的H3也被重吸收,葡萄糖、氨 基酸全部被重吸收;H则分泌到肾小管中。近球小管重吸收的关键动力是基侧膜上的Na'泵;许多溶质,包 括水的重吸收都与Na泵的活动有关。 1.Na'、CI和水的重吸收在近球小管前半段,大部分Na'与葡萄糖,氨基酸同向转运、与H逆向转运而被 主动重吸收:面近球小管后半段,Na'和CI主要通过细胞旁路而被被动重吸收。水随NaCI等溶质重吸收而 被重吸收,因此,该段小管注与血浆渗透压相同,是等渗重吸收。 在近球小管前半段,由于Na'泵的作用,Na'被泵至细胞间隙,使细胞内Na'浓度低,细胞内带负电位。因此, 小管液中的Naˆ和葡萄糖与管腔膜上的冋向转运体结合后,№aˆ顺电化学梯度通过管腔膜的同时,释放的能量 将葡萄糖同向转运入细胞内。进入细胞内的Na'即被细胞基侧膜上的Na泵泵出至细胞间隙,这样,一方面 使细胞内Na'的浓度降低,小管液中的Na-葡萄糖便可不断转运进入细胞内,细胞内的葡萄糖由易化扩散通 过细胞基侧膜离开细胞回到血液中;另一方面,使细胞间隙中的Na浓度升高,渗透压也升高,通过渗透作 用,水随之进入细胞间隙。由于细胞间隙在管腔膜侧的紧密连接相对是密闭的,Na'和水进入后就使其中的 静水压升高,这一压力可促使Na'和水通过基膜进入相邻的毛细血管而被重吸收,但也可能使部分Na'和水 通过紧密连接回漏(back-leak)至小管腔内(图8-10A)
图 8-9 Na+转运与其他溶质转运之间的伴联关系 二、各段肾小管和集合管的转运功能 （一）近球小管 肾小球滤过流经近球小管后，滤过液中 67%Na+、CI-、K +和水被重吸收，85%的 HCO3 也被重吸收，葡萄糖、氨 基酸全部被重吸收；H +则分泌到肾小管中。近球小管重吸收的关键动力是基侧膜上的 Na+泵；许多溶质，包 括水的重吸收都与 Na+泵的活动有关。 1．Na+、CI-和水的重吸收 在近球小管前半段，大部分 Na+与葡萄糖，氨基酸同向转运、与 H +逆向转运而被 主动重吸收；面 近球小管后半段，Na+和 CI-主要通过细胞旁路而被被动重吸收。水随 NaCI 等溶质重吸收而 被重吸收，因此，该段小管注与血浆渗透压相同，是等渗重吸收。 在近球小管前半段，由于 Na+泵的作用，Na+被泵至细胞间隙，使细胞内 Na+浓度低，细胞内带负电位。因此， 小管液中的 Na+和葡萄糖与管腔膜上的同向转运体结合后，Na+顺电化学梯度通过管腔膜的同时，释放的能量 将葡萄糖同向转运入细胞内。进入细胞内的 Na+即被细胞基侧膜上的 Na+泵泵出至细胞间隙，这样，一方面 使细胞内 Na+的浓度降低，小管液中的 Na+ -葡萄糖便可不断转运进入细胞内，细胞内的葡萄糖由易化扩散通 过细胞基侧膜离开细胞回到血液中；另一方面，使细胞间隙中的 Na+浓度升高，渗透压也升高，通过渗透作 用，水随之进入细胞间隙。由于细胞间隙在管腔膜侧的紧密连接相对是密闭的，Na+和水进入后就使其中的 静水压升高，这一压力可促使 Na+和水通过基膜进入相邻的毛细血管而被重吸收，但也可能使部分 Na+和水 通过紧密连接回漏（back-leak）至小管腔内（图 8-10A）
另一部分的NaH交换而主动重吸收。小管液中的Na和细胞内的H与管腔膜上的交换体结合进行逆向转运, 使小管液中的Na顺浓度梯度通过管腔膜进入细胞的同时,将细胞内的H分泌到小管液中:进入细胞内的Na 随即被基侧膜上的Na'泵泵至细胞间隙而主动重吸收。分泌到小管液中的H将有利于小管液中的HC3的重吸 小管液 血液 小冒蔽 血液 NI H HF C Na 图8-10近球小管重吸收NaCI的示意图 A:近球小管的前半段X代表葡萄糖、氨基酸、磷酸盐CIˉ
另一部分的 Na+ -H +交换而主动重吸收。小管液中的 Na+和细胞内的 H +与管腔膜上的交换体结合进行逆向转运， 使小管液中的 Na 顺浓度梯度通过管腔膜进入细胞的同时，将细胞内的 H +分泌到小管液中；进入细胞内的 Na+ 随即被基侧膜上的 Na+泵泵至细胞间隙而主动重吸收。分泌到小管液中的 H +将有利于小管液中的 HCO3 的重吸 收。 图 8-10 近球小管重吸收 NaCI 的示意图 A：近球小管的前半段 X 代表葡萄糖、氨基酸、磷酸盐 CI-
B:近球小管的后半段F代表甲酸盐H,甲酸 在近球小管后半段,NaCⅠ是通过细胞旁路和跨上皮细胞两条途径而被重吸收的。小管液进入近球小管后半 段时,绝大多数的葡萄糖、氨基酸已被重吸收。由于HCO3重吸收速率明显大于CI重吸收,CI留在小管液 中,造成近球小管后半段的CI浓度比管周组织间液高20%-40%。因此,CI顺浓度梯度经细胞旁路(即通过 紧密连接进入细胞间隙)而重吸收回血。由于CI被动重吸收是生电性的,使小管液中正离子相对较多,造 成管内外电位差,管腔内带正电,管外带负电,在这种电位差作用下,Na顺电位差通过细胞旁路而被动重 吸收。CⅠ通过细胞旁路重吸收是顺浓度梯度进行的,而Na通过细胞旁路重吸收是顺电位梯度进行的,因此 NaCI是重吸收都是被动的(图8-10B) NaCI跨上皮细胞重吸收与H和甲酸盐( formate,F)再循环有关,要通过管腔膜上相互耦联的Naˉ交换 和CⅠ甲酸根交换。在正常肾小管液中含有低浓度甲酸根,通过Na'、H交换,Na'进入细胞,H分泌到小管 液中,并与小管液中的甲酸根结合形成甲酸( formic acid,⊕F)。甲酸是脂溶性的,可迅速通过管腔膜进 入细胞,在细胞内分解为H和甲酸根。甲酸根和小管液中的CI进行逆向转运,结果,CI进入细胞内并通过 基侧膜而被重吸收,而甲酸根则人细胞内进入小管液。细胞内的H则与小管液中的Na进行逆向交换,Na 进入细胞,并被Na'泵泵至细胞间隙,然后进入管周毛细血管而被重吸收:H分泌至小管液,再与小管液中 的甲酸根据结合,形成甲酸再进入细胞。因此,H和甲酸根可再循环使用,CI和Naˆ则被重吸收回血。 水的重吸收是被动的,是靠渗透作用而进行的。水重吸收的渗透梯度存在于上皮细胞和细胞间隙之间。这 是由于Na'顺电化学梯度通过管腔膜进入细胞后,细胞内的Na'被基侧膜上的Na'泵泵至细胞间隙,使细胞间 隙渗透压升高。在渗透作用下,水便不断从小管液进入上皮细胞,并从细胞不断进入细胞间隙,造成细胞 间隙静水压升高:加上管周毛细血管内静水压较低,胶体渗透压较高,水便通过周围组织间隙进入毛细血 管而被重吸收 2.HCO3重吸收与H的分泌HCO的重吸收与小管上皮细胞管腔膜上的NaH交换有密切关系。HCO在血浆中 钠盐(NaCO3)的形式存在,滤过中的 NaHco3滤入囊腔进入肾小管后可解离成Na'和HCO。通过Na'交换 H由细胞内分泌到小管液中,Na'进入细胞内,并与细胞内的HCO3一起被转运回血(图8-11)。由于小管液 中的HCO3不易通过管腔膜,它与分泌的H结合生成H2CO2,在碳酸酐酶作用下,H2CO2迅速分解为CO2和水。 CO2是高度脂溶性物质,能迅速通过管腔膜进入细胞内,在碳酸酐酶作用下,进入细胞内的CO2与H2O结合 生成HCO3。HC3又解离成H和HCO3。H通过Na-H交换从细胞分泌到小管液中,HCO3则与Na一起转运回血。 因此,肾小管重吸收HCO3是以CO2的形式,而不是直接以HCO3的形式进行的。如果滤过的HCO超过了分泌
B：近球小管的后半段 F - 代表甲酸盐 HF，甲酸 在近球小管后半段，NaCI 是通过细胞旁路和跨上皮细胞两条途径而被重吸收的。小管液进入近球小管后半 段时，绝大多数的葡萄糖、氨基酸已被重吸收。由于 HCO3 重吸收速率明显大于 CI-重吸收，CI-留在小管液 中，造成近球小管后半段的 CI-浓度比管周组织间液高 20%-40%。因此，CI-顺浓度梯度经细胞旁路（即通过 紧密连接进入细胞间隙）而重吸收回血。由于 CI-被动重吸收是生电性的，使小管液中正离子相对较多，造 成管内外电位差，管腔内带正电，管外带负电，在这种电位差作用下，Na+顺电位差通过细胞旁路而被动重 吸收。CI-通过细胞旁路重吸收是顺浓度梯度进行的，而 Na+通过细胞旁路重吸收是顺电位梯度进行的，因此， NaCI 是重吸收都是被动的（图 8-10B）。 NaCI 跨上皮细胞重吸收与 H +和甲酸盐（formate,F-）再循环有关，要通过管腔膜上相互耦联的 Na+ -H +交换 和 CI—甲酸根交换。在正常肾小管液中含有低浓度甲酸根，通过 Na+、H +交换，Na+进入细胞，H +分泌到小管 液中，并与小管液中的甲酸根结合形成甲酸（formic acid,HF）。甲酸是脂溶性的，可迅速通过管腔膜进 入细胞，在细胞内分解为 H +和甲酸根。甲酸根和小管液中的 CI-进行逆向转运，结果，CI-进入细胞内并通过 基侧膜而被重吸收，而甲酸根则人细胞内进入小管液。细胞内的 H +则与小管液中的 Na+进行逆向交换，Na+ 进入细胞，并被 Na+泵泵至细胞间隙，然后进入管周毛细血管而被重吸收；H +分泌至小管液，再与小管液中 的甲酸根据结合，形成甲酸再进入细胞。因此，H +和甲酸根可再循环使用，CI-和 Na+则被重吸收回血。 水的重吸收是被动的，是靠渗透作用而进行的。水重吸收的渗透梯度存在于上皮细胞和细胞间隙之间。这 是由于 Na+顺电化学梯度通过管腔膜进入细胞后，细胞内的 Na+被基侧膜上的 Na+泵泵至细胞间隙，使细胞间 隙渗透压升高。在渗透作用下，水便不断从小管液进入上皮细胞，并从细胞不断进入细胞间隙，造成细胞 间隙静水压升高；加上管周毛细血管内静水压较低，胶体渗透压较高，水便通过周围组织间隙进入毛细血 管而被重吸收。 2．HCO3 重吸收与 H +的分泌 HCO3 的重吸收与小管上皮细胞管腔膜上的 Na+ -H +交换有密切关系。HCO3 在血浆中 钠盐（NaHCO3）的形式存在，滤过中的 NaHCO3 滤入囊腔进入肾小管后可解离成 Na+和 HCO3。通过 Na+ -H +交换， H +由细胞内分泌到小管液中，Na+进入细胞内，并与细胞内的 HCO3 一起被转运回血（图 8-11）。由于小管液 中的 HCO3 不易通过管腔膜，它与分泌的 H +结合生成 H2CO2，在碳酸酐酶作用下，H2CO2迅速分解为 CO2和水。 CO2 是高度脂溶性物质，能迅速通过管腔膜进入细胞内，在碳酸酐酶作用下，进入细胞内的 CO2 与 H2O 结合 生成 H2CO3。H2CO3 又解离成 H +和 HCO3。H +通过 Na+ -H +交换从细胞分泌到小管液中，HCO3 则与 Na+一起转运回血。 因此，肾小管重吸收 HCO3 是以 CO2 的形式，而不是直接以 HCO3 的形式进行的。如果滤过的 HCO3超过了分泌
的H,HCO3就不能全部(以CO2形式)被重吸收。由于它不易透过管腔膜,所以余下的便随尿排出体外。可 见肾小管上皮细胞分泌1H就可使1HC3和1Na'重吸收回血,这在体内的酸碱平衡调节中起到重要作用。乙 酰唑胺可抑制碳酸酐酶的活性,因此,用乙酰唑受后,Na'-H交换就会减少,因而NaHC3、NaCI和水的排出 增加,可引起利尿。由于近球小管的Na-H交换,小管液中的HCO3与H结合并生成CO2,CO2透过管腔膜的 速度明显高于CI的速度。因此,HCO3的重吸收率明显大于CI的重吸收率。 資腔 细胞 管周 HCO3YH - H++Hco3 Heco 碳酸酐酶 H. o+CO CO2 I H2o 图8-11肾小管上皮细胞生成和分泌H示意图 3.K的重吸收微穿刺实验表明,肾小球滤过的K,67%左右在近球小管重吸收回血,而尿中的K主要是由 远曲小管和集合管分泌的。有人认为,近球小管对K的重吸收是一个主动转运过程。小管液中钾浓度为 4mnol/L,大大低于细胞内K浓度(l50mol/L)。因此在管腔膜处Kˆ重吸收是逆浓度梯度进行的。管腔膜 K主动重吸收的机制尚不清楚 4.葡萄糖重吸收肾小球滤过液中的葡萄糖浓度与血糖浓度相冋,但尿中几乎不含葡萄糖,这说明葡萄糖 全部被重吸收因血。微穿刺实验表明,重吸收葡萄糖的部位仅限于近球小管,尤其是在近球小管前半段, 其他各段肾小管都没有重吸收葡萄糖的能力。因此,如果在近球小管以后的小管液中仍含有葡萄糖,则尿 中将出现葡萄糖 葡萄糖是不带电荷的物质,它的逆浓度梯度重吸收的,是由Na'继发性主动同向转运而被重吸收的。在兔肾 近球小管微灌流实验中观察到,如果灌流液中去掉葡萄糖等有机溶质,则№aˆ的重吸收率降低;如果灌流液 中的№a'全部去掉,则葡萄糖有机溶质的重吸收将完全停止,说明葡萄糖的重吸收与Naˆ同向转运密切相关 葡萄糖和Na分别与管腔膜上的同向转运体蛋白的结合位点相结合而进行同向转运(见前述Naˆ重吸收)
的 H +，HCO3 就不能全部（以 CO2 形式）被重吸收。由于它不易透过管腔膜，所以余下的便随尿排出体外。可 见肾小管上皮细胞分泌 1H+就可使 1HCO3 和 1Na+重吸收回血，这在体内的酸碱平衡调节中起到重要作用。乙 酰唑胺可抑制碳酸酐酶的活性，因此，用乙酰唑受后，Na+ -H +交换就会减少，因而 NaHCO3、NaCI 和水的排出 增加，可引起利尿。由于近球小管的 Na+ -H +交换，小管液中的 HCO3与 H + 结合并生成 CO2，CO2 透过管腔膜的 速度明显高于 CI-的速度。因此，HCO3 的重吸收率明显大于 CI-的重吸收率。 图 8-11 肾小管上皮细胞生成和分泌 H +示意图 3．K +的重吸收 微穿刺实验表明，肾小球滤过的 K +，67%左右在近球小管重吸收回血，而尿中的 K +主要是由 远曲小管和集合管分泌的。有人认为，近球小管对 K +的重吸收是一个主动转运过程。小管液中钾浓度为 4mmol/L，大大低于细胞内 K +浓度（150mmol/L）。因此在管腔膜处 K +重吸收是逆浓度梯度进行的。管腔膜 K +主动重吸收的机制尚不清楚。 4．葡萄糖重吸收 肾小球滤过液中的葡萄糖浓度与血糖浓度相同，但尿中几乎不含葡萄糖，这说明葡萄糖 全部被重吸收因血。微穿刺实验表明，重吸收葡萄糖的部位仅限于近球小管，尤其是在近球小管前半段， 其他各段肾小管都没有重吸收葡萄糖的能力。因此，如果在近球小管以后的小管液中仍含有葡萄糖，则尿 中将出现葡萄糖。 葡萄糖是不带电荷的物质，它的逆浓度梯度重吸收的，是由 Na+继发性主动同向转运而被重吸收的。在兔肾 近球小管微灌流实验中观察到，如果灌流液中去掉葡萄糖等有机溶质，则 Na+的重吸收率降低；如果灌流液 中的 Na+全部去掉，则葡萄糖有机溶质的重吸收将完全停止，说明葡萄糖的重吸收与 Na+同向转运密切相关 。 葡萄糖和 Na+分别与管腔膜上的同向转运体蛋白的结合位点相结合而进行同向转运（见前述 Na+重吸收）